电力能源转换与储存技术(1)分布式电源接入对配电网的影响

蒋心泽,董晓文,包海龙

(上海市电力公司技术与发展中心,上海 200025)

1 引言

分布式电源一般指小型、向当地负荷供电、可直接连到配电网上的电源装置。分布式电源通常包含分布式发电(DG)装置和分布式储能(DES)装置,容量一般小于50MW。分布式发电可分为基于化石能源的分布式发电技术和基于可再生能源的分布式发电技术以及混合的分布式发电技术。以燃气三联供为代表的分布式电源与大电网结合运行,可以弥补大电网供电的不足,因此受到了各国特别是发达国家的重视,各国政府纷纷制定扶持政策,加快了分布式电源的应用。

我国分布式发电起步较晚,但政府重视分布式发电的发展,鼓励燃气三联供分布式电源的发展,取得不少成果。分布式电源并网运行,可以弥补大电网在安全稳定性上的不足,含分布式电源的微电网可在大电网停电时维持全部或部分重要用户的供电,避免大面积停电带来的严重后果,一旦发生灾害,分布式电源可维持部分重要负荷的供电、减少灾害损失。分布式电源启停方便调峰性能好有利于平衡负荷,在负荷低谷时从电网获取电能、在负荷高峰时向电网送电,起到对负荷削峰填谷的作用提高电网运行效率,因此发展分布式发电可以延缓大型常规发电厂与输配电项目的新建,减少电力装备的投资或者降低投资的风险。

分布式电源投资小、见效快,采用就近向用电设备供电的方法可以避免输电网长距离送电的电能传输损耗,特别是用于大电网不易达到的偏远地区的供电。以风力发电和光伏发电为代表的可再生能源发电设备也是一种分布式电源。2003年以来,我国政府加强了推进节能减排力度,颁布了《可再生能源法》并制定了一系列促进可再生能源利用与提高能效技术发展的政策,提出了2020年应用可再生能源占消费总能源的比例达15%的目标。大规模可再生能源发电必须通过并网运行才能更有效的利用,但是大部分的可再生能源资源都有随机性,给并网运行带来很大困难。要大规模发展新能源发电,必须提高电网对分布式电源的接纳能力;满足分布式电源并网的需要,这也是智能电网提出并获得迅速发展的根本原因。随着我国可再生能源发电的发展,分布式电源的并网运行的问题也越来越突出。

2 对配电网运行管理的影响

分布式电源的大量接入改变了传统配电网功率单向流动的状况,一方面会增加配电网调度与运行管理的复杂性,风力发电、太阳能光伏发电等输出的电能具有很大的随机性,而用户自备分布式电源一般是根据用户自身需要安排机组的投切;这一切给合理地安排配电网运行方式、确定最优网络运行结构带来困难。另一方面,分布式电源的接入给配电网的施工与检修维护带来了影响,由于难以对众多的分布式电源进行控制,停电检修计划安排的难度增加,配电网施工安全风险加大。分布式电源的大量接入,给配电网带来的技术问题具体体现在很多方面。

(1)电压调整问题 配电线路中接入分布式电源,将引起电压分布的变化。由于配电网调度人员难以掌握分布式电源的投入、退出时间以及发出的有功功率与无功功率的变化,使配电线路的电压调整控制十分困难。

(2)继电保护问题 分布式电源的并网会改变配电网原来故障时短路电流水平并影响电压与短路电流的分布,对继电保护系统带来影响。这种影响首先是引起保护拒动,在相邻线路发生短路故障时,分布式电源提供的反向短路电流可能使保护误动作,如图1所示。

图1 分布式电源对保护动作的影响

如果一个分布式电源接在线路的M处,当线路末端k处发生短路故障时,它向故障点送出短路电流并抬高M处的电压,因此使母线处保护R检测到的短路电流减少,从而降低保护动作的灵敏,严重时会引起保护拒动。分布式电源的并网还会引起配电网保护误动,在相邻线路发生短路故障时,分布式电源提供的反向短路电流可能使保护误动作。

分布式电源的并网会影响重合闸的成功率,在线路发生故障时,如果在主系统侧断路器跳开时分布式电源继续给线路供电,会影响故障电弧的熄灭,造成重合闸不成功;如果在重合闸时,分布式电源仍然没有解列,则会造成非同期合闸,由此引起的冲击电流使重合闸失败,并给分布式发电设备带来危害。分布式电源的并网还会影响影响备用电源自投,如果在主系统供电中断时,分布式电源继续给失去系统供电的母线供电,则由于母线电压继续存在,会影响备用电源自投装置的正确动作。

(3)对短路电流水平的影响 直接并网的发电机都会增加配电网的短路电流水平,因此提高了对配电网断路器遮断容量的要求。

(4)对配电网供电质量的影响 风力发电、太阳能光伏发电输出的电能具有间歇性会引起电压波动,通过逆变器并网的分布式电源也会向电网注入谐波电流,导致电压波形出现畸变。

3 对配电网规划建设与经营的影响

分布式电源的大量应用,给配电网的规划建设与经营带来了新挑战。由于大量的用户安装分布式电源为其提供电能,使得配电网规划人员难以准确地进行负荷预测,进而影响配电网规划的合理性。分布式发电并网的经济问题。由于分布式电源的接入,特别是对于自备分布式电源的用户,为保证其自备分布式电源停运时仍能正常用电,供电企业需要为其提供一定的备用容量,这就增加了供电企业的设备投资与运行成本,这些费用理应有一部分由分布式电源业主来分担。因此,需要完善电价政策,合理地地调整供电企业与分布式电源业主的利益。

4 技术要求和方案选择

为确保配电网的安全运行和供电质量,分布式电源并网首先要保证配电网电压合格,所引起的电压偏移不超过允许的范围。其次要求配电设备正常运行电流不超过额定值,动热稳定电流不超过允许值。再次,短路容量不超过开关、电缆等配电设备的允许值。最后要求电能质量合格,所引起的电压骤升、骤降、闪变、谐波不超过规定值。

分布式电源并网对配电网的影响与分布式电源的容量以及接入配电网的规模、电压等级有关。一般情况下,分布式电源容量在250 kVA以内的接入380 V/400 V低压电网;分布式电源容量在1～8 MVA的接入10kV等级中压电网;分布式电源容量更大一些的则接入更高电压等级的配电网。具体接入方式一般是大容量的分布式电源通过联络线接到附近变电所的母线上,如图2(a)所示;对于小型的分布式电源,为减少并网投资,就近并在配电线路上,如图2(b)所示。

图2 分布式电源接入配电网的方式

美国电气电子工程师协会(IEEE)的第21标准化工作组起草的分布式电源并网系列标准中,定义了刚度系数和短路电流贡献比两个参数来衡量分布式电源并网对配电网的影响。其中刚度系数指配电网中分布式电源接入点的设计短路电流与分布式电源额定电流的比值;短路电流贡献比指配电网在分布式电源接入点发生短路时,来自分布式电源的短路电流与来自配电网的短路电流的比值。刚度系数越大、短路电流贡献比越小,配电网运行电压与短路电流受分布式电源,并网的影响也越小。一般认为只要刚度系数大于20,分布式电源并网不会对配电网运行带来实质性影响。

5 分布式电源并网技术的发展

目前的分布式电源并网技术是“有限接入”,对接入容量有严格限制,为了充分利用可再生能源,就必须实现“宽限接入”和大量接入,这也是智能电网概念提出的根本原因之一。随着分布式电源的大量接入,配电网就由传统的无源网络发展成为有源网络,当前,涉及这方面的技术研究主要有微电网技术与虚拟发电厂技术。

(1)有源网络 有源网络(A ctive Netw ork)指的是分布式电源高度渗透、功率双向流动的配电网络。所谓“高度渗透”是指接入的分布式电源对配电网的潮流、短路电流产生了实质性的影响,使得传统配电网的规划设计、保护控制、运行管理方法不再有效。有源网络的概念是针对并网技术对分布式电源接入容量做出严格限制的配电网而提出的。有源网络不再单纯地为了不影响现有配电网而严格限制分布式电源的接入,而是让分布式电源尽可能地多发电(特别是对可再生能源)、充分地发挥其对配电网的积极作用以及节省电力系统的整体投资。分布式电源的容量客观上是可以替代一部分配电容量的,从而减少对发、输、配电系统的投资。因此,考虑分布式电源对配电容量的替代作用,也是有源网络的一个重要的特征。有源网络给配电网的保护控制、运行管理提出了新挑战,它包括电压控制、继电保护、短路电流限制、故障定位与隔离、分布式电源调度管理等。

(2)微电网技术 微电网(M icro G rid)简称微网,是指由分布式发电装置和分布式储能装置,以及监控、保护装置汇集而成的并为相应区域供电的小型发配电系统,能够不依赖大电网而正常运行,实现区域内部供需平衡。一般来说,微网是一个用户侧的电网,它通过一个公共连接点与大电网连接。图3是美国电力可靠性技术解决方案协会(CERTS)提出的微电网基本结构。

按照常规的做法,分布式电源必须配备孤岛保护,在大电网停电时自动与主网断开。而微网可以在与大电网脱离后独立运行,由分布式电源维持区域内所有或部分重要负荷的供电,能够发挥出分布式电源在提高供电可靠性方面的作用。微网仅在公共连接点与大电网连接,避免了多个分布式电源与大电网直接连接。通过合理地设计,可使微网中分布式电源主要用于区域内部负荷的供电,做到不向外输送或输送很小的功率,使得大电网可以不考虑其功率输出的影响。这样,就较好地解决了分布式电源大量接入与不改变配电网现有保护控制方式之间的矛盾。就微网本身来说,它是一个“有源网络”,需要解决功率平衡、稳定控制、电压调整、继电保护等一系列问题,微网技术将作为智能配电网的重要研究内容。

图3 美国CERTS提出的微电网基本结构

(3)虚拟发电厂技术 虚拟发电厂(VPP)技术是将配电网中分散安装的分布式电源通过技术支撑平台实现统一调度并将其等效为一个发电区,实现分布式电源大量并网,达到分布式电源的优化利用、降低电网峰值负荷、提高供电可靠性的目的。虚拟发电厂的调度对象主要是可随时启动并且功率可调节的分布式电源,如热电联产微型燃气轮机、应急供电柴油发电机组以及各种DES等。对于风能、太阳能发电等可再生能源发电来说,其输出具有不确定性,且一般需要在具备条件时让其足额发电,因此不能对其进行有效地调度。实施虚拟发电厂要有配网自动化系统(DAS)作为技术支撑平台。虚拟发电厂是配网自动化系统的一个高级应用功能。配网自动化系统需要采集、处理分布式电源的实时运行数据,并能够对其进行调节、控制。除技术问题外,实施虚拟发电厂还涉及电价、政策、法规等一系列问题,目前处于研究探讨阶段,还缺少成熟的经验。

6 大规模储能技术在电网运行中的作用

当今电网发展面临的问题与挑战,首先是电网用电峰谷差逐渐增大,调峰矛盾日益突出;其次是不断扩大的电网规模增大了电网安全稳定运行的风险;再次是电力用户对电网电能质量的要求不断提高;最后是可再生能源发展迅猛,其并网运行技术有待完善。面对诸多的挑战和问题,储能技术应运而生。储能技术的发展和应用,将为电网发展方式的转变奠定重要的技术基础。储能系统作为电力系统的平衡器和缓冲器,也是智能电网的重要组成部分,可以解决电力供需不平衡矛盾和提高供电可靠性。

(1)削峰填谷,提高系统效率和设备利用率目前电力系统中负荷峰谷差一般可达到最大发电出力的30%～40%,近年来我国电力系统中的负荷峰谷差还有继续增大的趋势,给发电和电力调度造成一定的困难,特别是夏季负荷高峰期电力供应紧张,如果电力系统能够大规模地储存电能,即在晚间负荷低谷期将电能储存起来,白天负荷高峰时释放出来,就能在一定程度上缓解峰谷差问题避免因为应对峰值用电而增加电厂,延缓新的发电机组和输电线路建设,提高系统效率和输配电设备的利用率。

(2)平滑间歇式电源功率波动,促进新能源的集约化开发利用 太阳能、风能等新能源发电具有不同于火电、水电等常规电源的波动性和间歇性,大规模并网运行会对电网的稳定性造成影响,严重时会引发大规模恶性事故。在可再生能源装机容量不断增加、规模不断扩大的情况下,增加储能装置能够提供快速的有功支撑,增强电网调频能力,在电源侧配置动态响应特性好、寿命长、可靠性高的大规模储能装置,可以有效解决风能、太阳能等间歇式新能源的随机性和波动性问题,大幅提高电网接纳新能源的能力,促进可再生能源的集约化开发和利用。不同的新能源和可再生能源具有不同的特性,储能系统可以做好各种新能源和常规电源之间的联调。

(3)增加备用容量,提高系统供电质量 要保证供电可靠性,就要求系统具有足够的备用容量。在电力系统遇到大的扰动时,例如短路等事故时,储能装置可以在瞬时吸收或释放能量,使系统中的调节装置有时间进行调整,避免系统失稳并恢复正常运行。而对于电压暂降和短时中断等暂态电能质量问题特别敏感的用电负荷,如自动化生产线、大型计算机中心、医院、重要政府和军工部门,则需要研究采用以超级电容器、超导、飞轮为代表的功率型储能技术,快速补偿各种电能质量的扰动。储能系统正是通过对电网进行充放电,来调整频率偏差、电压幅值、电压不平衡率等,以此来改善电能质量。

(4)作为应急电源,保障电网应急电能供应当电网发生供电故障而停电时,储能系统可以起到大型不间断电源(UPS)的作用,通过向电网供电以避免突然停电带来的损失,如图4所示。

图4 钠电池储能系统在电网故障断电时对关键负荷放电

储能作为提高智能电网应对新能源发电兼容问题的重要手段,以及实现智能电网能量双向互动的中枢和纽带,是智能电网建设中的关键技术之一,如图5所示。

图5 电力能源存储技术对电网运行模式的影响

根据能源资源布局和容量规模特点,太阳能、风能、生物质能等新能源一般采用分布式电源方式接入配电网。在大量的分布式发电系统接入配网后,配电网的系统结构和运行特性都将发生很大变化。原有单向电源配电潮流特性将转变成双向潮流,一系列包括电压调整、无功平衡、继电保护等在内的综合性问题也将影响着系统的安全运行。如何在配电网中确定合理的电源结构、如何协调和有效地利用各种类型的电源,都成为新能源调度领域迫切需要解决的课题。新能源分布式电源采用大规模储能技术,将是今后电力系统重要课题之一。